(57)【要約】【課題】  計算コストを削減し、かつ、精度の高い砲内弾道シミュレーションを可能とする砲内弾道シミュレーション装置、砲内弾道シミュレーション方法、及び、プログラムを提供する。【解決手段】  砲内弾道シミュレーション装置１の分割部１０１は、砲内全体を、想定された、複数の計算格子に分割し、予測データ算出部１０２は、分割された計算格子内に存在する物質の属性毎の占有率に基づいて予測データを算出する。占有率算出部１０３は、算出された予測データに基づいて、計算格子内における物質の属性毎の占有率を算出する。砲内弾道シミュレーション装置１の予測データ算出部１０２と占有率算出部１０３とは、弾丸が砲外に移動したと算出されるまで繰り返し計算を行う。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
砲内の弾丸が砲外に発射されるまでの、火薬と該火薬の燃焼により発生する燃焼ガスと前記弾丸とについての現象に関する予測データを算出する砲内弾道シミュレーション装置において、
前記砲内全体を、想定された、複数の計算格子に分割する分割手段と、
前記分割手段により分割された複数の計算格子それぞれの内部に存在する物質の属性毎の占有率に基づいて、前記予測データを算出する予測データ算出手段と、
前記予測データ算出手段により算出された予測データに基づいて、前記複数の計算格子それぞれの内部における、前記物質の属性毎の占有率を算出する占有率算出手段と
を備え、前記占有率算出手段により算出された占有率に基づいて、更に、前記予測データ算出手段により予測データの算出を行うようにしたことを特徴とする砲内弾道シミュレーション装置。
【請求項２】
前記物質の属性の種類には、前記砲の属性である固定物体と、前記弾丸の属性である移動物体と、前記火薬の属性である移動変形物体と、前記燃焼ガスの属性である気体とのうちの、１種類以上が含まれることを特徴とする請求項１に記載の砲内弾道シミュレーション装置。
【請求項３】
前記分割手段により分割された複数の計算格子は、前記弾丸の発射方向に沿い、かつ、前記砲の中心を通る軸を中心軸とする、複数の同心円状の円筒と、前記中心軸に直交する複数の平面とで分割された領域であり、
前記占有率算出手段は、前記占有率を、前記計算格子を前記中心軸を含む平面で切断した場合の断面である、直交格子内における占有率として算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の砲内弾道シミュレーション装置。
【請求項４】
砲内の弾丸が砲外に発射されるまでの、火薬と該火薬の燃焼により発生する燃焼ガスと前記弾丸とについての現象に関する予測データを算出する砲内弾道シミュレーション方法において、
前記砲内全体を、想定された、複数の計算格子に分割する分割ステップと、
前記分割ステップにおいて分割された複数の計算格子それぞれの内部に存在する物質の属性毎の占有率に基づいて、前記予測データを算出する予測データ算出ステップと、
前記予測データ算出ステップにおいて算出された予測データに基づいて、前記複数の計算格子それぞれの内部における、前記物質の属性毎の占有率を算出する占有率算出ステップと
を備え、前記占有率算出ステップにおける占有率の算出と、前記予測データ算出ステップにおける予測データの算出とを、前記弾丸が砲外に移動したと算出されるまで繰り返し行うようにしたことを特徴とする砲内弾道シミュレーション方法。
【請求項５】
コンピュータに、
砲の中心を通り、かつ、該砲内の弾丸の発射方向に沿った軸を含む平面によって切断した場合の該砲の断面を表すデータが入力された場合に、該砲の断面内部を、複数の直交格子に分割する分割ステップと、
前記分割ステップにおいて分割された複数の直交格子を、前記軸を中心に回転した場合に形成される、複数の計算格子それぞれの内部に存在する物質の属性毎の占有率に基づいて、火薬と該火薬の燃焼により発生する燃焼ガスと発射された弾丸とについての現象に関する予測データを算出する予測データ算出ステップと、
前記予測データ算出ステップにおいて算出された予測データに基づいて、前記複数の計算格子それぞれの内部における、前記物質の属性毎の占有率を算出する占有率算出ステップと
を実行させ、
更に、前記占有率算出ステップにおける占有率の算出と前記予測データ算出ステップにおける予測データの算出とを、前記砲内の弾丸が砲外に移動したと算出されるまで、繰り返し実行させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、砲内弾道のシミュレーション計算を行うための解析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、砲内の弾丸が砲外に発射されるまでの、砲内現象のシミュレーション（以下「砲内弾道シミュレーション」という）が試みられてきている（例えば、「非特許文献１」）。砲内弾道シミュレーションの主目的は、弾丸が砲外に発射されるまでの弾丸の速度を予測したり、火薬の燃焼による燃焼ガスの圧力を予測し、これらの予測値を火薬の製造や砲の設計を行う際に役立てることにある。
【０００３】
図６（ａ）には、弾丸が込められた砲の断面図を示す。同図に示すように、砲内の空間は、弾丸が発射される砲口と、弾丸の通り道である砲腔と、弾丸を発射させるための火薬である発射薬を充填する薬室とで構成されている。弾丸は、弾帯と砲身とで固定されており、薬室には発射薬が装填されている。
図７は、弾丸が動き出してから砲外に発射されるまでの、弾丸経過長と腔圧（砲内の気相の圧力）及び弾丸速度との関係を示すグラフである。図７に示すような腔圧や弾丸速度の推移を、高い精度で数値解析するための砲内弾道シミュレーションモデルを生み出すことは、腔圧に耐える砲の設計や弾丸を高速に飛ばす火薬の製造にとって重要な役割を果たす。
【０００４】
ここで、射撃に伴う砲内の現象を、図６及び図７に示す番号に沿って説明する。
まず、撃針等の衝撃により点火系列が作動し、発射薬に点火される（図６（ａ）のプロセスＰ１）。次に、発射薬が燃焼して、発射薬の質量が減少する。発射薬の燃焼に伴い、大量の燃焼ガスが発生する。発射薬は、対流や衝突拡散により砲内を移動する（図６（ａ）のプロセスＰ２）。発生した燃焼ガスにより、薬室内の圧力が上昇する（図６（ａ）のプロセスＰ３）。薬室内の圧力が、弾丸と砲身との間の抵抗力を越える圧力（弾丸起動圧）になり（図６（ｂ）のプロセスＰ４）、弾丸が動き出す（図６の（ｂ）と図７とのプロセスＰ５）。弾帯が切開し、動摩擦力（阻害抗力）が発生する（図６（ｂ）のプロセスＰ６）。弾丸が動き出して薬室容積が大きくなることによる圧力の低下に比較して、発射薬の燃焼によるガス生成による圧力の上昇の方が早く、圧力の上昇が続いていく（図６（ｃ）と図７とのプロセスＰ７）。弾丸の加速度は腔内の圧力に比例する。動き始めの時点では圧力が大きく、弾丸の加速度も大きい（図６（ｃ）のプロセスＰ８）。砲内の圧力が最大腔圧に到達する（図６（ｃ）と図７とのプロセスＰ９）。圧力が低下しだすと弾丸の加速も緩やかとなり、弾丸の速度の変化が緩やかになっていく。発射薬の燃焼が完了し（図６（ｃ）と図７とのプロセスＰ１０）、弾丸の速度が加速する（図６（ｃ）のプロセスＰ１１）。砲口近くでは、砲内の圧力と弾丸の速度とがほぼ漸近化され、弾丸が砲口を離脱する（図６（ｃ）と図７のプロセスＰ１２）。
【０００５】
このような砲内弾道の現象を数値解析（シミュレーション）にて再現する場合には、以下の（１）、（２）を再現する必要がある。なお、以下の説明では、「発射薬」を「火薬」という。
（１）火薬がその質量を変えながら砲内を移動する。
（２）弾丸が砲内を移動する。
（１）を再現する手法としては、火薬粒一つ一つをラグラジアン的に追跡する手法が考えられる。しかしながら、この手法では、火薬粒の個数が膨大であるため、計算コストがかさむという問題点がある。
また、（２）を再現する手法として、ＡＬＥ（Arbitrary Lagrangian-Eulerian）法や重合格子法がよく用いられている。ＡＬＥ法とは、物体の移動変形に伴って計算格子も変形させることにより、移動変形を取り扱う方法である。また、重合格子法とは、計算領域全体の計算格子と物体周りの計算格子とを別々に定義し、各々を重ね合わせて連成させる手法である。しかしながら、これらの手法では、計算格子の再構成や補完テーブルの更新等の計算コストがかさむという問題点がある。
【０００６】
また、火薬が燃焼する燃焼場を流体として扱った場合に、流体から見た障害物である固体の表現方法として、固体を含まない領域に計算格子を生成し、その計算領域境界が固体であるという扱いが一般的である。しかしながら、固体が移動や変形を伴う場合、計算格子の再配置が必要となり、その処理コストは無視できない。また、システムにおいて自動的に計算格子の再配置を行うことができず、人手に頼る場合もありえるため、システムとしてロバスト性に欠ける。
【０００７】
一方、砲内弾道シミュレーションにおける燃焼場の扱い方についてのモデルとして、従来より集中パラメータモデルが存在する。集中パラメータモデルにおいては、図８に示すように、火薬が燃焼する場である砲内全体が圧力や温度が均一なひとつの系であると仮定し、エネルギー保存式、状態方程式、及び、運動方程式等を用いて、火薬の燃焼による気相の圧力や弾丸速度等を計算する。
しかしながら、近年では、火薬の高充填密度化や燃焼形態の複雑さに伴い、薬室内に発生する差圧や振動燃焼等の、集中パラメータモデルでは予測できない現象が発生している。そこで、砲内における燃焼状況をより実際に近づけてシミュレーションを行うために、１次元２相流モデルが考えられた。
【０００８】
１次元２相流モデルとは、１次元（砲内から弾丸が発射される方向）の流れ場を考慮することによって、火炎伝播と圧力波の形成を可能としたモデルである。集中パラメータモデルにおいては、気体を計算対象とし、かつ、燃焼場を均一系として取り扱うのに対して、１次元２相流モデルにおいては、気相と固相とを計算対象とし、かつ、燃焼場を流体として取り扱っている。燃焼場を流体として取り扱うのは、薬室内で火薬が燃焼する場合には、火薬と火薬から発生した燃焼ガスとが砲内に同時に存在し、それらが相互に作用することが考えられるためである。さらに、燃焼ガスと未燃焼の火薬とは、初期の点火の状況や薬室内の圧力分布に応じて薬室内を移動することが考えられるためである。１次元２相流モデルにおける具体的な手法としては、まず、図９に示すように、砲内の空間を、基軸（弾丸の発射方向に沿い、かつ、砲の中心を通る軸）方向に垂直な平面で複数に分割することにより、１次元的な計算格子を作成する。そして、当該作成した計算格子内を均一な系と仮定して、各種予測データを算出する。
【０００９】
しかしながら、実際には、砲の壁面側は、壁面との摩擦によりガスや火薬等の固体が流れにくく乱流が発生する。また、砲の壁面側においては、砲身に熱が伝達するといった現象も起きる。このため、１次元的に分割された計算格子内においては、壁面側と中心部とでは系が異なっていた。また、従来より利用されている１次元２相流モデルを用いたシミュレーション手法においては、火薬の速度場が十分考慮されているとはいえなかった。
【非特許文献１】Volume 66 PROGRESS IN ASTRONAUTICS AND AERONAUTICS,「INTERIOR BALLISTICS OF GUNS」,Published by the American Institute of Aeronautics and Astronautics,1979
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
このような実情により、従来の手法を用いて砲内弾道シミュレーションを行う場合には、計算時間や計算量等の計算コストがかかっており、また、算出された予測データが、実測データと高い精度で一致するとはいえなかった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、計算コストを削減し、かつ、精度の高い砲内弾道シミュレーションを可能とする砲内弾道シミュレーション装置、砲内弾道シミュレーション方法、及び、プログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、砲内の弾丸が砲外に発射されるまでの、火薬と該火薬の燃焼により発生する燃焼ガスと前記弾丸とについての現象に関する予測データを算出する砲内弾道シミュレーション装置において、前記砲内全体を、想定された、複数の計算格子に分割する分割手段と、前記分割手段により分割された複数の計算格子それぞれの内部に存在する物質の属性毎の占有率に基づいて、前記予測データを算出する予測データ算出手段と、前記予測データ算出手段により算出された予測データに基づいて、前記複数の計算格子それぞれの内部における、前記物質の属性毎の占有率を算出する占有率算出手段とを備え、前記占有率算出手段により算出された占有率に基づいて、更に、前記予測データ算出手段により予測データの算出を行うようにしたことを特徴とする砲内弾道シミュレーション装置を提供する。
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、砲内弾道シミュレーション装置は、砲内全体を、想定された複数の計算格子に分割しているため、従来のように、気相のみ、または、固相のみに対して計算格子を生成する必要がなくなる。このため、弾丸が移動する度に計算格子を生成し直す必要がなくなり、計算コストを削減することができる。
また、砲内弾道シミュレーション装置は、計算格子内に存在する複数の物質の属性毎に占有率を算出し、該物質の属性毎の占有率に基づいて予測データを算出しているため、従来のような特定の物質の属性に対する考慮が不十分であったシミュレーション手法に比較して、精度の高い予測データを算出することができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の砲内弾道シミュレーション装置において、前記物質の属性の種類には、前記砲の属性である固定物体と、前記弾丸の属性である移動物体と、前記火薬の属性である移動変形物体と、前記燃焼ガスの属性である気体とのうちの、１種類以上が含まれることを特徴とする。
請求項２に記載の発明によれば、砲内弾道シミュレーション装置は、砲内に存在する固定物体である砲と、移動物体である弾丸と、移動変形物体である火薬と、気体である燃焼ガスとのうちの１種類以上の占有率を算出し、算出された占有率に基づいて予測データを算出するため、固定物体、移動物体、移動変形物体、及び、気体全ての属性の占有率を考慮して予測データを算出することができるため、精度の高いシミュレーションを行うことができる。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の砲内弾道シミュレーション装置において、前記分割手段により分割された複数の計算格子は、前記弾丸の発射方向に沿い、かつ、前記砲の中心を通る軸を中心軸とする、複数の同心円状の円筒と、前記中心軸に直交する複数の平面とで分割された領域であり、前記占有率算出手段は、前記占有率を、前記計算格子を前記中心軸を含む平面で切断した場合の断面である、直交格子内における占有率として算出することを特徴とする。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、砲内弾道シミュレーション装置は、砲内の弾丸の発射方向である基軸方向と周方向との、２次元の流れ場を考慮することができるように計算格子を生成するため、砲内の火炎伝播と圧力波とを考慮することができ、さらには、境界層、乱流の効果、砲身への熱伝導の解析をも可能とすることができる。このため、高い精度で砲内弾道シミュレーションを行うことができる。また、砲内弾道シミュレーション装置は、物質の属性毎の占有率を直交格子内の占有率として算出するため、複雑な形状の計算格子内の占有率として算出するのに比較して短時間で計算を行うことができる。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、砲内の弾丸が砲外に発射されるまでの、火薬と該火薬の燃焼により発生する燃焼ガスと前記弾丸とについての現象に関する予測データを算出する砲内弾道シミュレーション方法において、前記砲内全体を、想定された、複数の計算格子に分割する分割ステップと、前記分割ステップにおいて分割された複数の計算格子それぞれの内部に存在する物質の属性毎の占有率に基づいて、前記予測データを算出する予測データ算出ステップと、前記予測データ算出ステップにおいて算出された予測データに基づいて、前記複数の計算格子それぞれの内部における、前記物質の属性毎の占有率を算出する占有率算出ステップとを備え、前記占有率算出ステップにおける占有率の算出と、前記予測データ算出ステップにおける予測データの算出とを、前記弾丸が砲外に移動したと算出されるまで繰り返し行うようにしたことを特徴とする砲内弾道シミュレーション方法を提供する。
【００１７】
請求項４に記載の発明の作用・効果は、請求項１と同様である。
請求項５に記載の発明は、コンピュータに、砲の中心を通り、かつ、該砲内の弾丸の発射方向に沿った軸を含む平面によって切断した場合の該砲の断面を表すデータが入力された場合に、該砲の断面内部を、複数の直交格子に分割する分割ステップと、前記分割ステップにおいて分割された複数の直交格子を、前記軸を中心に回転した場合に形成される、複数の計算格子それぞれの内部に存在する物質の属性毎の占有率に基づいて、火薬と該火薬の燃焼により発生する燃焼ガスと発射された弾丸とについての現象に関する予測データを算出する予測データ算出ステップと、前記予測データ算出ステップにおいて算出された予測データに基づいて、前記複数の計算格子それぞれの内部における、前記物質の属性毎の占有率を算出する占有率算出ステップとを実行させ、更に、前記占有率算出ステップにおける占有率の算出と前記予測データ算出ステップにおける予測データの算出とを、前記砲内の弾丸が砲外に移動したと算出されるまで、繰り返し実行させるためのプログラムを提供する。
【００１８】
請求項５に記載の発明によれば、コンピュータがプログラムを実行することで、複数の直交格子を生成し、該生成した直交格子を、軸を中心に回転した場合に形成される計算格子内に存在する物質の属性毎の占有率に基づいて予測データを算出するため、砲内の２次元的な流れ場を考慮して、精度の高い物質の属性毎の予測データを算出することができ、かつ、計算格子を生成するための計算コストを削減できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、砲内全体を、想定された複数の計算格子に分割するようにしたため、弾丸が移動する度に計算格子を生成し直す必要がなくなり、計算格子を生成し直すための計算コストを削減することができる。また、計算格子内に存在する物質の属性毎の占有率に基づいて予測データを算出するようにしたため、従来のように特定の物質の属性に対する考慮が不十分であったのに比較して、精度の高い予測データを算出することができる。
また、計算格子として直交格子を生成するようにしたため、容易に計算格子を生成することができ計算コストを削減することができる。また、計算格子を、砲の基軸方向と周方向との２次元の流れ場を考慮できるように生成したため、火炎伝播、圧力波、境界層、乱流の効果、砲身への熱伝導等を考慮した、精度の高い予測データを算出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１には、本発明に係る２次元２相流モデルの概要を示す。２次元２相流モデルにおいては、２次元（砲の基軸方向と周方向）の流れ場と、２相（固相と気相）とが考慮される。計算の特徴としては、砲内の空間上に直交格子を配置し、また、砲内に弾丸と火薬とを配置する。そして、火薬が燃焼した場合の、時間経過による気相と固相（火薬、弾丸）との移動を算出する。図１においては、気相、火薬、及び、弾丸を、平面上の位置として表現しているが、計算上は、空間上の計算格子内の占有率として捉えている。
【００２１】
［１．砲内弾道シミュレーション装置の構成］
図２は、本発明の実施の形態に係る砲内弾道シミュレーション装置１全体の構成を示すブロック図である。同図に示すように、砲内弾道シミュレーション装置１は、一般的なコンピュータのハードウェア構成を備えている。すなわち、砲内弾道シミュレーション装置１は、プログラムを実行し全体を制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）１１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）１２と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）１３と、ハードディスク装置１４と、入力信号をＣＰＵ１１に与えるキーボード１５やマウス１６と、画面を表示するディスプレイ１７とを備えており、これらはバスで接続されている。
【００２２】
砲内弾道シミュレーション装置１のハードディスク装置１４には、各種データやプログラムが記憶されている。例えば、ハードディスク装置１４には、砲内弾道シミュレーションによって算出された予測データを記憶しておく予測データ記憶領域が設けられている。この予測データ記憶領域には、「弾丸の速度」と、計算格子毎の「火薬の速度」、「気相の速度」、「気相の温度」、「気相の圧力」とを記憶しておく領域が含まれている。
【００２３】
また、ハードディスク装置１４には、予測データを算出する中間過程で算出される中間データを記憶しておく領域が設けられている。この中間データには、各物質の属性の種類毎の計算格子内における占有率や、弾丸・火薬の位置情報や移動量が含まれる。
ここで、物質の属性の種類には、砲の属性である「固定物体」と、弾丸の属性である「移動物体」と、火薬の属性である「移動変形物体」と、燃焼ガスの属性である「気体（気相）」とが存在する。
【００２４】
また、「占有率」とは、空間上の計算格子内における体積占有率をいう。計算格子内における各物質の属性毎の占有率を合計すると１００％となる。ここではシミュレーション手法として、計算格子内に存在する物質の属性毎の占有率を用いることにより、各物質を認識する手法を採用する。この場合、固体（移動物体、移動変形物体）の移動や変形は、各計算格子内の属性の変化として捉えることができ、固体の移動／変形に伴う流体への影響を、流体／固体の境界計算格子への条件として扱うことができる。また、ここでは、固体（火薬も含む）の表現方法として、物質の存在率に応じて認識する手法（マスク法）を用いる。
【００２５】
また、ハードディスク装置１４には、本発明に係る砲内弾道シミュレーションを行うための砲内弾道シミュレーションプログラム１４１が記憶されている。当該プログラム１４１は、与えられた砲の形状内部に２次元的に計算格子を作成するためのプログラムと、作成した計算格子毎に予測データを算出するためのプログラムとが含まれている。当該プログラム１４１を、砲内弾道シミュレーション装置１のＣＰＵ１１がハードディスク装置１４より読み出して実行することにより、図３に示す、本発明に特徴的な機能部が砲内弾道シミュレーション装置１に実現される。以下、砲内弾道シミュレーション装置１が備える各機能部について説明する。
【００２６】
分割部１０１は、砲の断面の形状データが入力されたのを検知したときに、当該入力された形状データで表される断面内部全体を、図１に示すような複数の直交格子に分割する。ここで、砲の断面とは、砲の中心を通り、かつ、砲内の弾丸が発射する方向に沿った軸を含む平面によって切断した場合の断面である。
物体の形状が複雑な場合に、従来のように有限要素法を用いて物体そのものに計算格子を生成した場合には、その中に生成される計算格子は簡単な直交格子で表せなくなり、三角形格子や四角形格子で表すこととなるが、ここでは、ほぼ長方形である砲の断面内部全体に直交格子を生成するため、分割部１０１は、短時間で容易に直交格子を作成することが可能となる。
【００２７】
なお、この直交格子を基軸を中心に回転した回転体が、実際の空間上の計算格子となる（図４参照）。この実際の計算格子の形状は、基軸を中心軸とする、複数の同心円状の円筒と、当該中心軸に直交する複数の平面とで分割された領域となる。
ここでは、２次元的な直交格子と空間上の実際の計算格子とを対応付けて扱うことで、生成された直交格子内における各物質の属性毎の占有率を、実際の計算格子内における各物質の属性毎の占有率として扱うことができる。
【００２８】
すなわち、分割部１０１が砲の断面内部に直交格子を生成することは、砲内の計算対象空間全体に計算格子を生成することと同等と考えることができる。このように生成された計算格子上を、燃焼ガス（気体）、火薬（移動変形物体）、及び、弾丸（移動物体）が移動する様子をシミュレーションすることとなる。
なお、弾丸の発射方向後端部が砲外に排出される様子までシミュレーションを行う場合には、計算上必要に応じて砲の外部の有限領域にも格子を設定することとなる。
【００２９】
予測データ算出部１０２は、分割部１０１により分割された計算格子内に存在する物質の属性毎の占有率に基づいて、各種基礎式を用いて上述した予測データや中間データを算出する。例えば、予測データ算出部１０２は、気相濃度に基づいて火薬の燃焼計算を行う。なお、濃度は単位体積当たりの重量であるが、体積当たりの占有率に換算することができるため、ここでいう「気相の占有率」と同等とみなすことができる。
占有率算出部１０３は、予測データ算出部１０２により算出された予測データに基づいて、各計算格子内における物質の種類毎の占有率を算出する。
【００３０】
例えば、占有率算出部１０３は、予測データ算出部１０２により算出された火薬の燃焼質量に基づいて、計算格子内の気相濃度を算出する。また、占有率算出部１０３は、予測データ算出部１０２により算出された気相の流速、温度、及び、圧力に基づいて、気相の移流による存在位置変動を算出し、当該存在位置変動に基づいて計算格子内の気相濃度を算出する。また、占有率算出部１０３は、予測データ算出部１０２により算出された火薬の移動距離に基づいて火薬の計算格子上の存在位置を算出し、当該存在位置に基づいて計算格子内の火薬（移動変形物体）の占有率を算出する。また、占有率算出部１０３は、予測データ算出部１０２により算出された弾丸の移動量に基づいて、弾丸の計算格子上の存在位置を算出し、当該存在位置に基づいて計算格子内の弾丸（移動物体）の占有率を算出する。
【００３１】
なお、ここでは、分割部１０１によって、図４に示すように、砲内に（ｎ×２ｍ）個（ｎ，ｍは整数）の直交格子が作成された場合には、基軸を対象として対応する直交格子同士は同一な系である（例えば、直交格子Ａ（１，１）と直交格子Ａ（１，２ｍ）とは、同一な系である）ため、占有率算出部１０３は、砲の断面内部の直交格子（ｎ×２ｍ）個のうち、直交格子Ａ（１，１）〜Ａ（ｎ，ｍ）までの（ｎ×ｍ）個の直交格子内における現象についてシミュレーションを行えばよい。
【００３２】
また、上述した機能の他に、ＣＰＵ１１が砲内弾道シミュレーションプログラム１４１を実行することにより、砲内弾道シミュレーション装置１に以下の機能が実現される。
（１）砲内弾道シミュレーション装置１のマウス１６やキーボード１５から、砲、弾丸の断面の形状・大きさ、火薬の位置・形状情報、弾丸の質量、弾丸起動圧力、弾丸と砲身との抵抗力（阻害抗力）、火薬の密度、火薬が燃焼を開始する温度等の物性値、及び、シミュレーションを繰り返す時間間隔等の初期値が入力された後、シミュレーション開始の指示がされたのを検知した場合に、シミュレーションを開始する機能。なお、初期値の入力方法として、砲内弾道シミュレーション装置１のハードディスク装置１４に予めデータセットを記憶させておき、当該データセットを読み込む方法を用いてもよい。また、ここでは、入力される砲の大きさがどのようなサイズであってもシミュレーションを行うことが可能である。
【００３３】
（２）算出された砲内の気相の圧力や温度、弾丸の位置情報等に基づいて画面データを生成しディスプレイ１７に表示する機能。ディスプレイ１７には、砲内における弾丸や火薬の移動の様子や、気相の圧力や温度分布の様子が色分けされて表示される。
（３）算出された弾丸の移動距離により、弾丸が砲口から離脱して砲外に移動したと判定されるまで、予測データ算出部１０２による予測データの算出と占有率算出部１０３による占有率の算出とを、設定された所定の時間間隔で繰り返し行う機能。
【００３４】
［２．砲内弾道シミュレーション処理］
次に、上記構成における砲内弾道シミュレーション処理の流れを説明する。
まず、ユーザは、砲内弾道シミュレーションを行うにあたって必要な初期値を入力する。具体的には、ユーザは、砲内弾道シミュレーション装置１のマウス１６を操作して、ディスプレイ１７上に砲の側面の断面の形状を描き、さらに、描いた断面内部に弾丸や火薬（集合体）の設置位置を描き、その火薬粒１個当たりの形や孔の数等の形状情報を入力する。さらに、ユーザは、キーボード１５を操作して、弾丸の質量、弾丸起動圧力、弾丸と砲身との抵抗力、火薬の密度、火薬が燃焼を開始する温度等の物性値、及び、シミュレーションを繰り返す時間間隔等を入力し、シミュレーション開始の指示を行う。
これにより、砲内弾道シミュレーション装置１のＣＰＵ１１は、ハードディスク装置１４に記憶されている砲内弾道シミュレーションプログラム１４１を読み出して実行する。
【００３５】
これにより実現される分割部１０１は、入力された初期値に基づいて、計算対象とする砲の断面内部に、図４に示す、直交する計算格子Ａ（ｉ、ｊ）（１≦ｉ≦ｎ、１≦ｊ≦ｍ、ｉ，ｊは整数）を（ｎ×ｍ）個生成する。占有率算出部１０３は、生成された計算格子の位置情報や面積の情報と、初期値として入力された弾丸及び火薬の位置情報とから、生成した各計算格子Ａ（ｉ、ｊ）内に含まれる物質の属性毎の占有率を算出する。また、砲内弾道シミュレーション装置１のＣＰＵ１１は、初期値として、「弾丸の速度」と「火薬の速度」と「気相の速度」とに“０”を設定し、「気相の温度」に常温を設定し、「気相の圧力」に大気圧を設定する。
【００３６】
次に、図５を参照しながら、砲内弾道シミュレーション装置１が行う、計算格子Ａ（ｉ、ｊ）についての砲内弾道シミュレーション処理を説明する。
砲内弾道シミュレーション装置１の予測データ算出部１０２は、火薬（以下、「火薬」を「燃焼物質」という）の燃焼計算を行う（ステップＳ１０１）。具体的には、まず、予測データ算出部１０２は、燃焼物質が燃焼しているか否かを判定する。すなわち、予測データ算出部１０２は、前回の計算でハードディスク装置１４に記憶しておいた計算格子Ａ（ｉ、ｊ）の「燃焼ガスの温度」を読み出して、当該読み出した温度が、燃焼物質が燃焼を開始する温度を超えているか否かを判定する。
【００３７】
燃焼物質が既に燃焼していると判定された場合には、予測データ算出部１０２は数１に示す燃焼計算式を用いて、前回の計算時から現在までに、計算格子Ａ（ｉ、ｊ）内の燃焼物質が燃焼した質量の計算を行う。具体的には、予測データ算出部１０２は、ハードディスク装置１４より、計算格子Ａ（ｉ、ｊ）の「移動変形物体（燃焼物質）の占有率」を読み出して、当該占有率を燃焼計算式に積算する。そして、予測データ算出部１０２は、ハードディスク装置１４より計算格子Ａ（ｉ、ｊ）の「気相の圧力」を読み出し、当該圧力に基づいて燃焼物質の燃焼速度を算出する。予測データ算出部１０２は、算出した燃焼速度に基づいて燃焼体積を算出する。さらに、予測データ算出部１０２は、算出した燃焼体積に基づいて燃焼質量を算出する。
【００３８】
【数１】
2005147585.tif 000003
【００３９】
占有率算出部１０３は、予測データ算出部１０２により算出された燃焼質量に基づいて計算格子Ａ（ｉ、ｊ）の気相濃度を算出し、当該気相濃度を表すデータをＲＡＭ１３に一時的に記憶しておく。
次に、予測データ算出部１０２は、数２に示す式を用いて、燃焼エネルギーの計算を行う。
【００４０】
【数２】
2005147585.tif 000004
【００４１】
予測データ算出部１０２は、算出した燃焼エネルギーより燃焼物質の温度を算出する。予測データ算出部１０２は、算出した燃焼物質の温度を表す温度データをＲＡＭ１３に記憶しておく。
次に、予測データ算出部１０２は、気相流体計算を行う（ステップＳ１０２）。具体的には、予測データ算出部１０２は、ステップＳ１０１で算出された計算格子内の気相濃度や燃焼エネルギーに基づいて、公知の２次元ナビア・ストークス（Navier-Stokes）の式を用いて流体計算を行い、気相の流速、温度、及び、圧力を算出する。ここで、ナビア・ストークスの式とは、粘性を考慮した流体の運動方程式である。ナビア・ストークスの式を用いて算出することにより、エネルギー保存の法則、運動量保存の法則、流体の粘性、及び、流体の熱伝導等を考慮した計算を行うことが可能となる。予測データ算出部１０２は、算出した気相の流速、温度、及び、圧力を表すデータをＲＡＭ１３に記憶しておく。
【００４２】
占有率算出部１０３は、算出された気相の流速、温度、及び、圧力に基づいて、気相の移流による存在位置変動を算出する。占有率算出部１０３は、気相の存在位置変動により、計算格子Ａ（ｉ、ｊ）内の気相濃度を算出する。占有率算出部１０３は、算出した気相濃度を表すデータをＲＡＭ１３に記憶しておく。
次に、予測データ算出部１０２は、燃焼物質の移動計算を行う（ステップＳ１０３）。具体的には、予測データ算出部１０２は、流体の保存式（存在率保存式）である移流拡散方程式を用いて、燃焼物質の移動距離を算出する。
【００４３】
占有率算出部１０３は、ステップＳ１０３において予測データ算出部１０２により算出された燃焼物質の移動距離に基づいて燃焼物質の計算格子上の存在位置を算出し、さらに、当該存在位置に基づいて燃焼物質（移動変形物体）の計算格子Ａ（ｉ、ｊ）内の占有率を算出する。占有率算出部１０３は、算出した占有率を表すデータをＲＡＭ１３に記憶しておく。
【００４４】
次に、予測データ算出部１０２は弾丸移動の計算を行う（ステップＳ１０４）。具体的には、予測データ算出部１０２は、ハードディスク装置１４に記憶されている「弾丸の移動距離」を読み出して、当該読み出した移動距離が“０”を表しているか否かにより、前回の計算時に、既に弾丸が移動を開始していたか否かを判定する。前回弾丸が移動を開始していないと判定された場合には、予測データ算出部１０２は移動開始判定を行う。具体的には、予測データ算出部１０２は、ハードディスク装置１４に記憶されている「気相の圧力」と「弾丸起動圧力」とを読み出す。そして、予測データ算出部１０２は、当該気相の圧力が弾丸起動圧を超えているときに、弾丸が移動を開始していると判定する。
【００４５】
弾丸が移動していると判定された場合に、予測データ算出部１０２は、数３に示す式を用いて、弾底部の圧力と阻害抗力とに基づいて、弾丸の移動量を算出する。具体的には、予測データ算出部１０２は、ステップＳ１０２において算出した気相の圧力から弾底部の圧力を算出し、弾底部の圧力と阻害抗力（弾丸と砲身との抵抗力）との関係から弾丸の加速度を算出する。そして、予測データ算出部１０２は、弾丸の速度と加速度とに基づいて、弾丸の移動量を計算する。
【００４６】
【数３】
2005147585.tif 000005
【００４７】
占有率算出部１０３は、算出された弾丸の移動量に基づいて、弾丸の計算格子上の存在位置を算出する。占有率算出部１０３は、当該存在位置に基づいて弾丸（移動物体）の計算格子Ａ（ｉ、ｊ）内における占有率を算出し、当該占有率を表すデータをＲＡＭ１３に記憶する。
次に、ＣＰＵ１１は、これまでの計算過程で、ＲＡＭ１３に一時的に記憶しておいた各物質の属性毎の占有率や移動量、温度、圧力等のデータを読み出し、当該データでハードディスク装置１４に記憶されている予測データと中間データとを更新する（ステップＳ１０５）。
以上のステップＳ１０１からステップＳ１０５までの処理を、（ｎ×ｍ）個の計算格子Ａ（ｉ、ｊ）（１≦ｉ≦ｎ、１≦ｊ≦ｍ）について行うことで、１サイクルの処理が終了する。
【００４８】
さらに、砲内弾道シミュレーション装置１は、以上の１サイクルの処理を、弾丸が砲外に発射されたと算出されるまで、初期値として設定された所定時間間隔で繰り返す。ここで、弾丸が砲外に発射されたと算出される時点とは、算出された「弾丸の移動距離」に基づいて、弾丸が砲口を離脱したと判定される時点である。
また、上記シミュレーションの最中に、砲内弾道シミュレーション装置１は、算出した気相の圧力や温度、弾丸や火薬の移動距離に基づいて画面データを生成し、ディスプレイ１７に表示する。ディスプレイ１７には、砲内における弾丸や火薬の移動の様子や、色分けされた気相の圧力分布、温度分布が表示される。
【００４９】
以上のように、本発明の砲内弾道シミュレーションにおいては、燃焼物質燃焼計算、気相流体計算、燃焼物質移動計算、及び、弾丸移動計算において用いる計算式それぞれに、各物質の属性毎の占有率が積算されることとなる。そして、各物質の属性毎の占有率は、各物質の移動に伴う占有率変化や燃焼による相変化に伴う占有率変化が所定時間毎に計算され、算出されたデータでハードディスク装置１４の所定領域が更新されて、次の砲内弾道シミュレーション処理で使用されることとなる。
【００５０】
このように、本発明の計算手法は、従来の有限要素法のように計算対象となる物質そのものの内部に対して計算格子を切り、その形状変化や移動を計算するのではなく、物質が存在する空間全体に対して計算格子を設定し、その計算格子内に物質が存在する占有率を取り扱い、その占有率の変化や移動を計算する手法である。このため、有限要素法に見られる様な計算格子作成作業が不必要となり、砲内弾道シミュレーションの大幅な計算コスト削減を実現した。
なお、上述した実施形態においては、固相（火薬、燃焼物質）についても気相と同様に、流体の保存式を解いているとして説明したが、計算コストを削減するために、気相流体計算において算出された値との相対比に基づいて、固相の流速を計算するようにしてもよい。
また、上述した実施形態においては、２次元モデルについて説明したが、本発明は３次元モデルにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施の形態に係る砲内弾道シミュレーションモデルを説明するための図である。
【図２】同実施の形態に係る砲内弾道シミュレーション装置のハードウェア構成を示すブロック図である。
【図３】同実施の形態に係る砲内弾道シミュレーション装置の機能構成を示すブロック図である。
【図４】同実施の形態に係る砲内に生成される計算格子を説明するための図である。
【図５】同実施の形態に係る砲内弾道シミュレーション処理の流れを示すフローチャートである。
【図６】従来の砲内の弾丸が砲外に発射されるまでの現象を説明するための図である。
【図７】従来の弾丸が移動を開始してからの弾丸経過長と腔圧・弾丸速度との関係を示すグラフである。
【図８】従来の砲内弾道シミュレーションモデルのうちの集中パラメータモデルを説明するための図である。
【図９】従来の砲内弾道シミュレーションモデルのうちの１次元２相流モデルを説明するための図である。
【符号の説明】
【００５２】
１      砲内弾道シミュレーション装置
１１    ＣＰＵ
１２    ＲＯＭ
１３    ＲＡＭ
１４    ハードディスク装置
１５    キーボード
１６    マウス
１７    ディスプレイ
１０１  分割部
１０２  予測データ算出部
１０３  占有率算出部
１４１  砲内弾道シミュレーションプログラム
【図１】
2005147585.tif 000006
【図２】
2005147585.tif 000007
【図３】
2005147585.tif 000008
【図４】
2005147585.tif 000009
【図５】
2005147585.tif 000010
【図６】
2005147585.tif 000011
【図７】
2005147585.tif 000012
【図８】
2005147585.tif 000013
【図９】
2005147585.tif 000014